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神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用

時(shí)間:2014-04-10 11:02:24來(lái)源:李濤

導(dǎo)語(yǔ):?開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)SRD(switchedreluctancedrive)是一種新型調(diào)速系統(tǒng),它避免了直流電機(jī)因換向所產(chǎn)生的換向火花和交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高等問(wèn)題,具有高輸出和高的能量利用率,兼有直流調(diào)速和交流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn),然而,盡管其電磁原理和結(jié)構(gòu)都相當(dāng)簡(jiǎn)單,但開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變的、非線性、多變量的系統(tǒng)[1,2],控制效果也一直不是很好,迄今為止,尚未能夠求得其精確的數(shù)學(xué)模型,所以采用常規(guī)的線性控制器是很難滿足其調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能要求[10]。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制相結(jié)合的方法,構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ID控制器,實(shí)時(shí)調(diào)整PID的控制參數(shù)。
摘要:針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)SRD(switchedreluctancedrive)難以控制的問(wèn)題,應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制相結(jié)合的方法,構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器,實(shí)時(shí)調(diào)整PID的控制參數(shù)。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的PID控制方法相比較,該方法大大改善了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能,且無(wú)需精確的數(shù)學(xué)模型,控制精度高,幾乎沒(méi)有超調(diào)量小,對(duì)干擾有較高的魯棒性。
 
關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);PID;PWM;調(diào)速
 
中圖分類(lèi)號(hào):TP273      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
 
Abstract:Amingattheproblemthattheswitchedreluctancedriveisdifficulttocontrol,weusetheneuralnetworkPIDcontrollerwhichisformedbytheneuralnetworkandPIDcontrolmethodtoadjustthePIDcontrolparametersinreal-time.Thesimulationresultsshowthat,comparedwiththetraditionalPIDcontrolmethod,theproposedcontrolmothodgreatlyimprovesdynamicandstaticperformanceofSRD,andthatitdoesnotrequireaccuratemathematicalmodelandhashighcontrolaccuracy,smallovershootsandhighrobustnesstodisturbance.
 
Keywords:SRD;Neuralnetwork;PID;PWM;speedregulation
 
0引言
 
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)SRD(switchedreluctancedrive)是一種新型調(diào)速系統(tǒng),它避免了直流電機(jī)因換向所產(chǎn)生的換向火花和交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高等問(wèn)題,具有高輸出和高的能量利用率,兼有直流調(diào)速和交流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn),然而,盡管其電磁原理和結(jié)構(gòu)都相當(dāng)簡(jiǎn)單,但開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變的、非線性、多變量的系統(tǒng)[1,2],控制效果也一直不是很好,迄今為止,尚未能夠求得其精確的數(shù)學(xué)模型,所以采用常規(guī)的線性控制器是很難滿足其調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能要求[10]。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制相結(jié)合的方法,構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ID控制器,實(shí)時(shí)調(diào)整PID的控制參數(shù)。
 
1開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的簡(jiǎn)介
 
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由SRM、功率變換器、控制器、檢測(cè)器等四部分構(gòu)成[3]。SRD通常為穩(wěn)速系統(tǒng),在速度給定的情況下,工作在某個(gè)確定的受控速度點(diǎn)。SRD的可控因素很多,調(diào)速方法靈活,但若要實(shí)現(xiàn)SRD寬范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速及較高的抗干擾能力,就必須應(yīng)用反饋控制技術(shù),通常是將速度變量作為反饋,從而構(gòu)成按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。SRD不僅是高度非線性的,而且對(duì)不同的控制方式,還是變結(jié)構(gòu)的,這給系統(tǒng)整體控制性能分析帶來(lái)了很大的困難[8],為了保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)始終優(yōu)良,固定參數(shù)的PID調(diào)節(jié)器是無(wú)法滿足要求,往往還必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及精確度的要求加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,使其具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能。
 
 
圖1SRD框圖
 
2開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的非線性動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型
 
根據(jù)文獻(xiàn)【3,4,5,7】可知,SRM的非線性動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為:
 
(1)
 
式中,j為電機(jī)的相數(shù);Tk為合成電磁轉(zhuǎn)矩。
 
該數(shù)學(xué)模型中各相非線性電感及其對(duì)電流和位置角的導(dǎo)數(shù)表達(dá)式為:
 
 
各相電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:
 
式中,
 
(4)
本文以一臺(tái)6/4極三相SRM為研究對(duì)象,電機(jī)具體參數(shù)為:額定功率:3KW,額定轉(zhuǎn)速:2000r/min,額定電壓:220V,定子極?。?0°,轉(zhuǎn)子極?。?4°,繞組電阻:0.75Ω,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:0.008kgm2,根據(jù)電感測(cè)量及計(jì)算的結(jié)果[9],獲得如下系數(shù)值:L0=22mH、L1=150mH、L2=25mH、L3=14mH、a=2.78。
 
根據(jù)以上內(nèi)容,可在matlab/simulink中搭建SRM的動(dòng)態(tài)仿真模型如下:
 
 
圖2電機(jī)本體仿真模型
 
3基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID參數(shù)的SRD調(diào)速
 
3.1基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)整定[6]
 
 
圖3基于BP網(wǎng)絡(luò)整定PID參數(shù)的SRD控制系統(tǒng)框圖
 
 
 
基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器由兩部分組成:
 
1、經(jīng)典的PID控制器,直接對(duì)被對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制,并且三個(gè)參數(shù)為在線調(diào)整方式;
 
2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù),以期達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化,使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)于PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)kp,ki,kd,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制律下的PID控制器參數(shù)。
 
經(jīng)典增量式PID控制算法為:
 
(5)
 
采用三層的BP網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸入為:,j=1,2…M,式中,輸入變量的個(gè)數(shù)M取決于被控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
 
網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入輸出為:
 
 
隱層神經(jīng)元的的激活函數(shù)取正負(fù)對(duì)稱(chēng)的sigmoid函數(shù):
 
(7)
 
網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸入輸出為:
 
(8)
 
輸出層輸出節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)可調(diào)參數(shù)kp,ki,kd。由于kp,ki,kd不能為負(fù)值,所以輸出層神經(jīng)元的活化函數(shù)取非負(fù)Sigmoid函數(shù):
 
 
取性能指標(biāo)函數(shù)為:
 
 
按梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)的全系數(shù),即按E(k)對(duì)加權(quán)系數(shù)的負(fù)度方向搜索調(diào)整,并附加一個(gè)使搜索快速收斂全局極小的慣性項(xiàng):
 
(11)
 
式中,η為學(xué)習(xí)速率,α為慣性系數(shù)
 
 
由于未知,近似用符號(hào)函數(shù)來(lái)取代,由此帶來(lái)的計(jì)算不精確的影響可通過(guò)調(diào)整η來(lái)補(bǔ)償。
 
由以上公式計(jì)算可得
 
 
從而求得網(wǎng)絡(luò)輸出層權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)算法為:
 
 
其中,。
 
同理可求網(wǎng)絡(luò)隱含層加權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)算法為:
 
 
其中,。
 
BP整定PID控制算法可分為以下幾步:
 
a、確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并給出各層權(quán)值的初始值,選定學(xué)習(xí)速率和慣性系數(shù),此時(shí)k=1;
 
b、采樣得到參考輸入和系統(tǒng)輸出,根據(jù)(13)式計(jì)算該時(shí)刻誤差e(k);
 
c、根據(jù)(5)、(6)、(7)、(8)式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各層的輸入輸出,輸出即為PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)kp,ki,kd;
 
d、根據(jù)(5)式計(jì)算PID控制器的輸出u(k);
 
e、進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí),根據(jù)(14)、(15)式在線調(diào)整加權(quán)系數(shù),實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自適應(yīng)整定;
 
f、置k=k+1,返回到(a)。
 
 
3.2采用BP整定PID控制策略實(shí)現(xiàn)SRM的電壓PWM控制仿真分析
 
SRM的電壓PWM控制方式是指在開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff不變的情況下,使用PWM信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加載在功率電路上的電壓有效值的控制,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)SRM工作電流的控制。而在SRD調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中,對(duì)速度進(jìn)行直接控制是主要的,為此,本文采用一種新的PWM控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)SRM的電壓PWM控制,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。
 
具體的控制過(guò)程為:速度給定值與系統(tǒng)速度輸出值相比較產(chǎn)生偏差信號(hào),經(jīng)速度調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為PWM占空比信號(hào),經(jīng)PWM模塊產(chǎn)生PWM波形,再將PWM作為功率變換器的輸入信號(hào),控制功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷,完成電壓PWM斬波控制方式。在本文當(dāng)中,偏差信號(hào)作為BP-PID控制器的輸入信號(hào),控制器的輸出作為PWM模塊的控制信號(hào)。
 
 
圖4BP整定PID控制策略實(shí)現(xiàn)SRM的電壓PWM控制
 
如上圖所示,位置檢測(cè)器的作用是通過(guò)SRM的輸出轉(zhuǎn)速檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置[12],其結(jié)構(gòu)如下:
 
 
圖5位置檢測(cè)器
 
其工作原理為,轉(zhuǎn)子角速度ω經(jīng)過(guò)比例變化從rad/s變成de/s,然后經(jīng)過(guò)離散積分器KTs/(Z一l)得到三相相對(duì)位置。由于6/4極SRM的周期為90°,三相的相對(duì)位置對(duì)90°求余,得到0-90°范圍內(nèi)的角度值,該角度值經(jīng)過(guò)兩個(gè)比較器與開(kāi)通角alfa和關(guān)斷角beta比較,當(dāng)大于等于alfa或小于等于beta時(shí)輸出1,否則為0,兩路比較輸出經(jīng)過(guò)與操作,得到在開(kāi)通角和關(guān)斷角之間為1,其余為0的三相的位置信號(hào)sig。
 
電壓PWM控制方式中PWM波形的產(chǎn)生在控制過(guò)程中起著重要的作用,PWM波形生成模塊結(jié)構(gòu)如下:
 
 
圖6PWM波形生成模塊
 
如圖所示,cont輸入信號(hào)為BP-PID控制器的輸出信號(hào),該信號(hào)決定木模塊輸出PWM占空比的大小,占空比數(shù)值與鋸齒波信號(hào)相比較,若占空比值大于鋸齒波信號(hào)值則輸出零電平,若占空比值小于鋸齒波信號(hào)則輸出高電平,因此調(diào)節(jié)cont值即可改變PWM波形的占空比。
 
系統(tǒng)的整體仿真模型如下:
 
 
圖7基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID參數(shù)的SRD調(diào)速系統(tǒng)仿真模型
 
BP-PID控制器是用S-函數(shù)編寫(xiě)并且封裝好的,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用2-5-3結(jié)構(gòu),學(xué)習(xí)速率η=0.5,慣性系數(shù)α=0.25,各層權(quán)值初始值取[-1,1]上的隨機(jī)數(shù)。給定轉(zhuǎn)速ω=1500r/min,仿真時(shí)間為0.35s,分別進(jìn)行BP-PID控制和常規(guī)PID控制實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中,在0.15s時(shí)突加一個(gè)擾動(dòng),在常規(guī)PID控制實(shí)驗(yàn)時(shí),PID參數(shù)采用試湊法[11]。下面為實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。
 
(a)BP-PID(b)常規(guī)PID
 
 
空載時(shí)兩種方法的速度曲線
 
(c)BP-PID(d)常規(guī)PID
 
 
突加擾動(dòng)時(shí)兩種方法的速度曲線
 
分析以上結(jié)果可知:
 
空載,BP-PID控制時(shí),系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間較常規(guī)PID控制時(shí)明顯減小,這說(shuō)明系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快。
 
突加擾動(dòng),BP-PID控制時(shí),系統(tǒng)的速度曲線較常規(guī)PID控制時(shí)波動(dòng)明顯減小,這說(shuō)明系統(tǒng)的抗干擾能力提高,魯棒性增強(qiáng)。
 
4結(jié)論
 
本文將智能PID控制應(yīng)用在SRD調(diào)速系統(tǒng)中,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制構(gòu)成BP-PID控制器,通過(guò)加入一個(gè)PWM波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了SRM的電壓PWM控制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性,系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng),響應(yīng)迅速,控制精度高,具有較好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。
 
 

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